凝汽器TP304管的腐蝕原因分析與防護措施

張慧

摘 要：隨著社會經濟的不斷發展，提供了人們對電力資源的需求，這也對發電廠發電機組的質量、效率提出了更高的要求，作為火力發電機組循環冷卻水系統中重要設備的凝汽管，其運行的安全穩定性和經濟型是尤為重要的。但是在機組長期運行過程中，凝汽器管內表面會出現不同程度的黏泥和泥沙的沉積，進而影響凝汽器管的換熱效果，從而降低汽輪機的效率，而這就需要對其清洗，但是近年來出現了不銹鋼凝汽器管清洗后重新啟動時發生大面積泄漏的不良現象，因此該文基于此現象，分析了當前凝汽器管TP304管的腐蝕原因，并進行對應防護措施的探討。

關鍵詞：凝汽器 不銹鋼管 點蝕 平衡電位 腐蝕

中圖分類號：TG172 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0115-02

凝汽器的常用管材包括銅管、不銹鋼管和鈦管，其中不銹鋼管的強度和彈性模量均高于鋼管和鈦管，其允許應力也遠高于海軍黃銅和鈦管，所以允許有較大跨距而不振動，雖然不銹鋼管的熱膨脹系數與鈦管相差無幾，并低于銅合金管，但是不銹鋼管的強度高，也具有較強的耐蝕性，因此可以通過降低管壁厚度來實現管壁熱阻的降低。目前，國內凝汽器管使用最多的就是TP304、TP316和TP317不銹鋼材質。

1 凝汽器TP304管的腐蝕原因分析

1.1 點蝕

（1）不銹鋼點蝕機理及其電化學評定方法概述。

點蝕其實就是一種由小陽極大陰極腐蝕電池因其的陽極區高度集中的局部腐蝕形式[1]，這種腐蝕雖然不會導致大量金屬重量的損失，但是點蝕發生了連續發展，那么將會引發腐蝕穿孔直到整個設備不能運作為止，還有可能導致一些危害性較大的事故產生，這不僅僅會危害電廠的經濟效益，還會為電廠工作人員的人生安全帶來巨大威脅。凝汽器TP304管中所包含的化學成分[2]有18%～20%的鉻（Cr），8%～10.5%的鎳（Ni），0.08%的碳（C），2.0%的錳（Mn），1.0%的硅（Si），0.035%的磷（P），0.030%的硫（S）。

在不銹鋼管發生腐蝕的時候會發生陽極反應[3]，即不銹鋼中的鐵元素、鉻元素以及鎳元素都會發生電化學反應，即Fe生成為正2價鐵離子和2個電子，Cr生成為正3價鉻離子和3個電子，Ni生成為正2價鎳離子和2個電子。而不銹鋼管中產生的陰極反應則會因為溶液的實際狀況產生不同的反應。當處于堿性有氧條件下，也就是在正常循環水的運行條件下，不銹鋼管腐蝕時發生的陰極反應應該是氧氣、水和陽極反應生成的電子產生反應生成氫氧根離子，用化學離子反應式應表示為：

O2+H2O+4e-→4OH-

其陰極氧平衡電位[4]應表示為：

其中φθ表示標準電極電位，R表示通用氣體常數，T表示循環水絕對溫度，F表示法拉第常數，Po2表示氧的絕對壓力，t表示循環水溫度。

在酸性無氧條件下，也就是凝汽器管內表面發生結垢的時候，因為泥垢下某些鹽的水解和泥垢的覆蓋使其反應處于酸性無氧環境，其陰極反應應該是由氫離子和電子產生反應生成氫氣[5]，用化學的離子反應式應表示為：

2H++2e-→H2

其陰極氫平衡電位表示為：

在酸性有氧條件下，也就是在凝汽器經過化學清洗或者停機備用時候，因為不銹鋼管道內殘留有酸液，此時的陰極反應可能會發生與酸性無氧條件下產生反應的反應相同，但也有可能出現氧氣、氫離子和電子相反應的現象，用化學離子反應式應表示為：

O2+4H++4e-→2H2O

其陰極氫平衡電位表示為：

陰極氧平衡電位表示為：

點蝕的一個重點特性就是在某一給定的金屬-介質體系中，會有特定陽極極化電位門檻值的存在，這一電位也就是點蝕電位[6]，它能夠提供給定材料在特定介質中點蝕敏感性或者點蝕抗力的定量評估數據，其中的點蝕臨界擊穿電位Eb就是一個不涉及測試方法的熱力學參數，也就是說無論采用哪種測試方法，只要介質、材質和溫度一定，那么就能夠確定這一點蝕臨界電位，當陰極平衡電位不大于不銹鋼的點蝕電位，那么不銹鋼出現點蝕現象的幾率就會比較小。

（2）TP304不銹鋼管的電化學試驗及分析。

采取材質為TP304的凝汽器管作為試驗電極制作材料，然后在CP6型綜合腐蝕測試儀上進行電化學實驗。試驗采用三電極體系，其中鉑電極作為輔助電極，SCE（飽和甘汞電極）作為參比電極。其具體的試驗方法就是將制作完成的TP304不銹鋼電極浸入到試驗溶液中，當電極電位基本都處于穩定，就可以從開路電位開始以20 mV/min的掃描速度進行陽極極化，直至陽極電流密度滿足1 mA/cm2為止。其中點蝕電位應該是陽極極化曲線上電流密度在5～15 μA/cm2范圍內且電流密度連續急劇上升時的最正點位置；通過摩爾法進行試驗溶液中氯離子（Cl-）濃度的測定；通過pH計進行溶液酸堿值的測定；通過XSE數仙逝測溫儀進行溫度的測定。所使用的試驗溶液應該是電廠的實際循環水，在試驗前需要對試驗溶液的各項指標進行分析，根據不同的試驗要求采取氯化鈣（CaCl2）或者鹽酸（HCl）完成對循環水的調節。

然后根據TP304不銹鋼在堿性氧化條件、酸性無氧條件和酸性有氧條件進行試驗進行電位陽極極化曲線以及相關指標數據的獲取，從中對TP304不銹鋼在上述三類環境中的腐蝕情況進行詳細分析。經過試驗和計算發現，TP304不銹鋼在堿性有氧條件下的點蝕電位比氧平衡電位高，也就是說在該條件下，即凝汽器管內表面不存在結垢的情況下，該不銹鋼會比較耐蝕；而且在高Cl-濃度堿性有氧條件下，TP304不銹鋼的點蝕電位雖然存在下降趨勢，但是與氧平衡電位相比，點蝕電位更比較高，所以在高Cl-濃度堿性有氧條件下，也就是在凝汽器管內表面不存在結垢的停備用時期，TP304不銹鋼的耐蝕性也比較好。

在酸性無氧條件下，如果TP304不銹鋼所處溶液含有0.04%的鹽酸（HCl），其點蝕電位與氫平衡電位相比更高，而在含有0.2%鹽酸的酸性無氧環境系，其點蝕電位雖有明顯下降趨勢[7]，但仍高于氫平衡電位，也就是說，在高Cl-濃度的低pH環境下，TP304不銹鋼內表面在不潔凈的情況下也具有較強的耐腐蝕能力。

而在酸性有氧條件下，如果不銹鋼處于含有0.04%鹽酸的環境中，其點蝕電位與氫、氧平衡電位相比更高，不容易產生腐蝕，當處于含有0.07%和0.2%鹽酸的環境下，不銹鋼的點蝕電位的下降趨勢比較明顯，并且其點蝕電位低于氧平衡電位，因此比較容易出現腐蝕。在處于0.45%鹽酸環境下，不銹鋼的極化曲線基本處于水平，也就是說TP304不銹鋼在0.5%鹽酸溶液中不存在鈍化區，因此會直接出現全面腐蝕現象。

1.2 晶間腐蝕原因分析

奧氏體不銹鋼在經過1050℃～1150℃的高溫后迅速冷卻就會得到單相組織[8]，這種組織處于不穩定狀態，當溫度上升至427℃～816℃的時候，因為增大了C原子的遷移速率，Cr的碳化物會隨著晶界析出，再加上Cr的碳化物中含Cr量高于基體金屬，因此致使晶間腐蝕現象的出現。也就是說影響TP304不銹鋼晶間腐蝕的關鍵就在于C元素，因此控制TP304不銹鋼的晶間腐蝕的重要手段就是要加強不銹鋼中C含量的降低。

1.3 應力腐蝕及其他腐蝕原因分析

在含有Cl-濃度的溶液中的應力腐蝕破裂（SCC）是TP304不銹鋼的一種常見腐蝕形態，在冷卻水中這種腐蝕的出現與氯化物、氯離子含量以及溶液溫度有關，通常情況下，可以發生水解并能夠生成酸的酸性氯化物均能引起TP304不銹鋼的應力腐蝕破裂[9]，例如氯化鈣（CaCl2）、氯化鎂（MgCl2）、氯化銨（NH4Cl）等，而且氯離子的含量越高、溫度越高，不銹鋼產生應力腐蝕破裂的傾向就會越大，這種腐蝕情況在常溫下是很少出現的。

根據上述點蝕的三種條件下的分析，可以發現TP304不銹鋼只有在處于酸性較強的溶液中才會出現均勻腐蝕，其在堿性溶液和中性溶液中都具有較為良好的耐腐蝕性，因此不銹鋼在凝汽器的正常運行工況下出現均勻腐蝕現象的幾率是極其微小的，氮腐蝕也不例外。因為不銹鋼管的機械強度和鈍化性能都比較強，所以其耐沖刷腐蝕性能也會比較強，針對這一特點，管內的冷卻水流速可以大幅度提升。根據實際可以發現，在淡水中，與不銹鋼管相連接的碳鋼管板會出現電偶腐蝕，根據鴨河口電廠凝汽器不銹鋼管的研究文獻發現，引起不銹鋼腐蝕的原因是管材缺陷和微生物的協同作用。

2 凝汽器TP304管腐蝕防護措施探討

針對凝汽器TP304管的腐蝕防護措施應該根據以上的原因分析，分別從改善腐蝕環境、改變不銹鋼管的耐蝕性以及規范安裝這三個方面進行防護。對于不銹鋼管腐蝕環境的改變主要從加強水質監督、改善水質處理工藝等方面入手，其中水質的監督應該按照國家標準和電力行業標準進行凝結水和給水水質的控制，在運行過程中要密切關注不銹鋼管的滲漏和泄露問題。并且只要發現水質超標一定要馬上進行原因的查明，組織專業技術人員進行解決方案的探討和實施。如果電廠不具備檢測水樣的條件，那么必須要取水樣送往相關單位進行檢查。而且在控制循環水項目中，不僅需要控制水中的氯離子（Cl-），還需要著重考慮包括硫酸根（SO42-）在內的其他離子的影響。在改善水質處理工藝方面可以通過冷卻水緩蝕劑和阻垢劑等試劑的添加，防止循環水系統結垢，進而降低垢下腐蝕的可能。還可以聯合緩蝕劑的添加提高冷卻水的pH值，亦或者通過凝汽器循環泵，增大管內水流速度，有效避免泥沙的沉積。在運行過程中，相關工作人員還需要做好循環水防垢防微生物黏泥的處理工作，保證凝汽器管內的循環水流速維持在高于1.5 m/s的流速上，同時還需要通過合理滅菌滅藻處理和膠球清洗工作保證不銹鋼管內金屬表面的清潔，同時也能夠有效延長不銹鋼管的使用壽命。而對于改善不銹鋼管的耐蝕性則主要從刷防腐涂料和防腐漆以及陰極保護等方面入手，這兩種措施主要適用于直流水系統和敞開式循環冷卻水系統。而在規范安裝方面，則需要安裝人員在安裝過程只能夠盡可能避免對不銹鋼管的劃傷和應力，此外，相關人員還需要做好機組停用階段的檢查和養護工作。

3 結語

總而言之，作為發電廠發電機組中不可獲取的重要設備，工作人員一定要保證凝汽器的質量和運行效率，尤其是其中的不銹鋼管，只有針對當前不銹鋼管容易出現的腐蝕現象進行原因分析，才能從多方面入手，更好地進行凝汽器不銹鋼管的腐蝕控制，進一步確保凝汽器的安全穩定運行，進而保證發電機組運行的安全性，從而為發電廠的安全穩定生產運行奠定基礎。

參考文獻

[1] 呂旺燕，蘇偉，劉世念，等.凝汽器的腐蝕與防護研究進展[J].全面腐蝕控制，2014（2）：25-28，81.

[2] 蔣超友，宋闖，梁振國，等.凝汽器不銹鋼管替換銅管的優劣性分析[J].南方金屬，2014（4）：51-52，58.

[3] 劉訓財，劉云會.凝汽器不銹鋼管腐蝕泄漏問題分析研究[J].科技傳播，2013（22）：114-115.

[4] 呂楠楠，梁磊，林建珍，等.凝汽器不銹鋼管錳致腐蝕初探[J].腐蝕與防護，2013（1）：56-59.

[5] 黃橋生，鄒建偉，沈丁杰.凝汽器不銹鋼管雙頻渦流檢測缺陷信號分析[J].無損檢測，2012（1）：37-40.

[6] 謝億，郭建亭，陳紅冬，等.某國產凝汽器不銹鋼焊管耐點蝕性能研究[J].焊管，2012（8）：27-30.

[7] 張燕，許立國，劉國強，等.凝汽器管在循環冷卻水中的腐蝕評價方法[J].腐蝕與防護，2012（9）：807-809，812.

[8] 臧殿榮.氨基磺酸在不銹鋼凝汽器管線清洗中的應用[J].清洗世界，2012（12）：4-8.

[9] 李巧玲，侯鋼劍，焦寶宏.凝汽器不銹鋼管代替銅管對比分析[J].熱電技術，2012（1）：33-36，50.